JP2010166703A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機に設けられている電機子巻線の発熱を効率よく冷却する永久磁石回転電機を提供することである。
【解決手段】固定子フレームに設けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、回転子フレームにハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子からなる回転電機は、前記回転子が回転軸の中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列を設け、前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を設け、前記永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向を向き、前記回転子フレームにおいて、前記２列の永久磁石列の間に位置する前記電機子巻線に対応する位置にフレーム穴を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子巻線を有する固定子に対し回転可能に支持された回転子にハルバッハ配列された永久磁石を有する永久磁石回転電機に関する。

永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機は、径方向にＮ極とＳ極を交互に配置した主磁極磁石と、この主磁極磁石の周方向両面に径方向以外（例えば周方向）に着磁された補助磁石を備えたものである（例えば、特許文献１、２参照）。永久磁石をハルバッハ配列した永久磁石回転電機の主磁極磁石と補助磁石とは、全体で略円筒状をなしており、永久磁石をハルバッハ配列にすると、特定の方向の磁力を強めることができる。このハルバッハ配列された永久磁石を有する回転電機は、大きくすることなく高出力化を図ることが可能になる。

図１５は、従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機の磁束密度分布を示した磁束密度分布図である。ヨーク鉄心１５に電機子巻線４が巻かれており、永久磁石１６、電機子巻線４、ヨーク鉄心１５の間に磁束が形成される。

特開２００６−３２０１０９号公報（第１図） 特開２００４−３５０４２７号公報（第１乃至２図）

しかし、特許文献１のものでは、固定子や回転子に鉄心を用いているため回転電機の質量が重くなり、高出力を図るには、回転電機の軸方向若しくは径方向に長くする必要がある。また、特許文献２のものにおいても、固定子に鉄心を用いているため回転電機の質量が重くなり、高出力を図るには、回転電機の軸方向若しくは径方向に長くする必要がある。また、このようなハルバッハ配列した永久磁石列を有する回転電機では、電機子巻線に対して冷却する必要がある。

この発明の目的は、回転電機に設けられている電機子巻線の発熱を効率よく冷却する永久磁石回転電機を提供することである。

本発明の固定子フレームに設けられた電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、回転子フレームにハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子からなる回転電機は、前記回転子が回転軸の中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列を設け、前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を設け、前記永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向を向き、前記回転子フレームにおいて、前記２列の永久磁石列の間に位置する前記電機子巻線に対応する位置にフレーム穴を設けている。

本発明によれば、回転電機に設けられている電機子巻線の発熱を効率よく冷却する永久磁石回転電機を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の第１の実施形態に係る固定子の斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の径方向断面図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の磁束密度分布の一例を示す磁束密度分布図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の平面図。 本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の変形例を示す軸方向断面図。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機の平面図。 本発明の第２の実施形態に係る永久磁石回転電機のＡ−ＡおよびＢ−Ｂ断面図。 本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の軸方向断面図。 本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の変形例を示す軸方向断面図。 本発明の第３の実施形態に係る永久磁石回転電機の他の変形例を示す軸方向断面図。 本発明の第４の実施形態に係る固定子の斜視図。 本発明の第４の実施形態に係る固定子の変形例を示す斜視図。 従来のハルバッハ配列した永久磁石列を有する永久磁石回転電機の磁束密度分布を示した磁束密度分布図。

図１は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。永久磁石回転電機１は、固定子６に電機子巻線４及びとシャフト７が形成され、回転子５に永久磁石列２、３及び軸受１４が形成されて構成される。

ここで、図２は、電機子巻線４及びとシャフト７が設けられた固定子６の斜視図である。固定子６には、中心にシャフト７が形成されている。電機子巻線４は、例えば三相交流を用いる場合、Ｕ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれている。電機子巻線４は、集中巻きの巻線で形成されている。電機子巻線４は、ボビン４１に巻線を巻いたコイル４２により形成されている。そして、電機子巻線４は、回転軸であるシャフト７を中心として周方向に複数のボビン４１で構成されている。

固定子６と回転子５との間には、軸受１４が構成されており、回転子５は固定子６の上で回転する構造になっている。回転子５にはハルバッハの配列で構成された略円筒形状の２列の永久磁石列２、３が周方向に設けられている。回転子５は、固定子６に対向する側に凸部を２列有し、回転子５の外側の凸部には永久磁石列（外側）２の永久磁石１６を、内側の凸部には永久磁石列（内側）３の永久磁石１６が例えば接着等により取付けられている。そして、回転子５に取り付けられた永久磁石列２、３の間に電機子巻線４を配置するように構成されている。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機の径方向断面図である。回転子５に取り付けられた永久磁石列２，３は、図３に示すような磁極の配列とする。つまり、径方向に着磁された磁極については、外側の永久磁石列２の磁極と内側の永久磁石列３の永久磁石の磁極とが同一方向になるように構成する。径方向に着磁された磁極の間にある周方向に着磁された永久磁石については、外側の永久磁石列２の磁極と内側の永久磁石列３の磁極とが反対方向になるように構成する。

次に、図４は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の磁束密度分布の一例を示す磁束密度分布図、図５は本発明の第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の磁力線分布の一例を示す磁力線分布図である。

図４に示すように、永久磁石列２、３の磁束が電機子巻線４を鎖交する様子が分かる。電機子巻線４に例えば三相交流を流すことで回転子５が回転する。図４及び図５から分かるように、径方向に着磁された永久磁石に多くの磁束が発生していることが分かる。つまり、電機子巻線４に鎖交することにより大きなトルクを得ることが可能になる。周方向に着磁された永久磁石の磁束は、外側の永久磁石列２と内側の永久磁石列３とでは反対の向きになり、互いの磁束をキャンセルする働きをする。径方向の磁束密度分布について、従来例の図１５と対比すると、図４の磁束密度分布は、図１５の磁束密度分布に比べ約２倍の磁束が得られることが分かる。また、図１５ではヨーク鉄心１５に電機子巻線４を巻いた結果であり、質量増大の要因になっている。

このように、回転子５にハルバッハ配列した略円筒形状の２列の永久磁石列２、３を設け、略円筒形状の永久磁石列２、３の間に固定子６の電機子巻線４を設けることで、永久磁石回転電機１の軸方向の幅を薄くすることができる。また、ハルバッハ配列した略円筒形状の永久磁石列を２列構成することで、従来例に比べ磁束密度が大きいことから、永久磁石回転電機１の形状を大きくすることなく高出力化が可能になる。

ここで、図１に示す第１の実施形態では、回転子５には、永久磁石列（外側）２と永久磁石列（内側）３の間に位置する電機子巻線に対応する位置にフレーム穴５１が設けられている。フレーム穴５１は、回転軸であるシャフト７の延在方向と平行となるように固定子に設けられている。回転子５の外側の凸部とこれ対向する固定子６との間は、所定の隙間５２を有する。したがって、永久磁石回転電機１内部では、フレーム穴５１から隙間５２まで空間的に連続となっている。

図６は、第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の平面図である。図４は、シャフト７の延在方向に沿った方向から回転子５の外面を見た図である。フレーム穴５１は、円形で形成され、周方向に複数設けられている。フレーム穴５１の形状はこれに限られず、多角形状であったもよい。

永久磁石回転電機１の稼動時、電機子巻線４には三相交流が流れるため発熱する。フレーム穴５１が設けられている回転子５は、回転することで、空気流体が流れるファンとして作用する。フレーム穴５１から流入した空気は、永久磁石回転電機１内部に流れ込み、発熱体である電機子巻線４を冷却する。そして、電機子巻線４を冷却した空気は、回転子５と固定子６との間の隙間５２から外部へと流出する。

第１に実施形態の永久磁石回転電機１によれば、回転子５にフレーム穴５１を設けることで、電機子巻線４を効率よく冷却することができる。また、永久磁石回転電機１は、特別な冷却機構を用いる必要がないため、回転子５と固定子６に鉄心を用いないで小形・軽量化ができる。

図７は、第１の実施形態に係る永久磁石回転電機１の変形例を示す軸方向断面図である。フレーム穴５１は、固定子６の外面から永久磁石回転電機１の内部に向かって、シャフト７の回転軸から離れるように傾きを持って設けられている。回転子５が回転すると、遠心力によって、図７に示す形状のフレーム穴５１から空気が流入しやすくなる。したがって、発熱体である電機子巻線４に対する冷却効果は高まる。

ここで、回転子５の外面から永久磁石回転電機１の内部に向かってシャフト７の回転軸に近づくように傾きを持ってフレーム穴５１が設けられている場合、回転子５が回転すると、遠心力によってフレーム穴５１から空気を流出しやすい。したがって、回転子５に、上記異なる傾きを持たせたフレーム穴５１を周方向に交互に設けることもできる。

次に、第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る永久磁石回転電機１の平面図である。図８は、シャフト７の延在方向に沿った方向から回転子５の外面を見た図である。フレーム穴５１は、周方向に略円弧長穴の形状で複数設けられている。

電機子巻線４は、円筒状に固定子６に設けられているため、フレーム穴５１も電機子巻線４の配置と回転軸方向に対向している。

第２に実施形態の永久磁石回転電機１によれば、略円弧長穴のフレーム穴５１を回転子５に設けることで、外部の空気が直接コイル４２に当たるため冷却効果が大きく、通風抵抗も小さくなるため、回転子５が回転すると、空気が通りやすくなり電機子巻線４の温度が低減できる。

図９は、図８に示す固定子６の回転軸方向のＡ-Ａ断面図および周方向のＢ-Ｂ断面図である。Ａ-Ａ断面図に示すように、フレーム穴５１の径方向の両端部は、固定子６の外面から永久磁石回転電機１の内部に向かって、フレーム穴５１の開口面積を小さくするように回転軸方向に沿って傾斜面を有している。また、Ｂ-Ｂ断面図に示すように、フレーム穴５１の周方向の両端部は、固定子６の外面から永久磁石回転電機１の内部に向かって、フレーム穴５１の開口面積を小さくするように回転軸方向に沿って傾斜面を有している。フレーム穴５１が上記のように形成されていることにより、回転子５が回転すると、フレーム穴５１から空気を内部に取り込みやすいため、ファンとしての作用が増大する。

次に、長穴として回転子５に設けるフレーム穴５１の数について説明する。図３に示すように固定子６に電機子巻線４が２４個のボビン４１で構成されている場合、図８に示すように回転子５にフレーム穴５が８個で構成されていると最適である。つまり、電機子巻線４を構成する集中巻きされたボビン４１の数をＮとすると、フレーム穴５１の数は、Ｎ／３の整数倍であれば電機子巻線４に対する冷却効果は向上する。具体的には、（ボビン４１の数，フレーム穴５１の数）＝（２４，８）、（２１，７）、（１８，６）、（１５，５）である。

電機子巻線４は、ボビン４１に巻かれたコイル４２ごとにそれぞれ発熱する。永久磁石回転電機１の回転効率を向上させるには、電機子巻線４を構成するコイル４２の全てについて均一な温度分布となるのがよい。したがって、フレーム穴５１の数は、ボビン４１の数に対して整数倍とすると回転周期から風が均一に流れる。また、電機子巻線４には、三相交流が用いられているため、３の整数倍とすると最適となる。

次に、長穴として回転子５に設けるフレーム穴５１の径方向における幅について説明する。図２に示すように、電機子巻線４の幅（回転軸方向と直交する径方向）をｔとする。図８に示すように、フレーム穴５１の径方向の幅をｔ´とする。このとき、電機子巻線４の幅ｔおよびフレーム穴５１の幅ｔ´をｔ‘＞ｔかつｔ‘×１．３＜ｔの条件が成立するようにした場合、電機子巻線４に対する冷却効果は向上する。上記条件により、フレーム穴５１から永久磁石回転電機１内部に空気が流入する通風抵抗を小さくできからである。また、フレーム穴５１から空気が通りやすくなり、電機子巻線４を冷却できる。

次に、第３の実施形態について説明する。図１０は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の軸方向断面図である。固定子６には、電機子巻線４を回転軸から径方向に２ヶ所で挟みこむように凹状部６１が設けられている。固定子６の凹状部６１が電機子巻線４と回転軸方向に沿った面で接するように設けられているため、電機子巻線４で発生した熱は、凹状部６１を介して固定子に熱伝導しやすくなる。固定子６の凹状部６１は。ように、電機子巻線４の外面を径方向の前後で挟んでいるため、電機子巻線４と凹状部６１との接触面積が大きくなり、電機子巻線４を冷却することができる。

図１１は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の変形例を示す軸方向断面図である。ここでは、上記図１０に示した固定子６と凹状部６１の接触位置の角部をＲの丸みをもたせた構成としている。上記構成により、空気の通風抵抗も小さくなるため、永久磁石回転電機１内部を空気が通りやすくなり電機子巻線４を冷却できる。

図１２は、第３の実施形態に係る永久磁石回転電機１の他の変形例を示す軸方向断面図である。回転子５には、永久磁石列（外側）２の永久磁石１６をおよび永久磁石列（内側）３の永久磁石１６を回転軸から径方向に２ヶ所で挟みこむように凹状部５３が設けられている。回転子５の凹状部５３は、永久磁石列（外側）２の永久磁石１６をおよび永久磁石列（内側）３の永久磁石１６と回転軸方向に沿った面で接するように設けられている。そして、回転子５と凹状部５３の接触位置の角部をＲの丸みをもたせた構成としている。上記構成により、空気の通風抵抗も小さくなるため、永久磁石回転電機１内部を空気が通りやすくなり電機子巻線４を冷却できる。

次に、第４の実施形態について説明する。図１３は、第４の実施形態に係る電機子巻線４及びとシャフト７が設けられた固定子６の斜視図である。固定子６には、周方向に複数のボビン４１に巻かれたコイル４２を設けることで電機子巻線４が構成されている。ボビン４１とボビン４１との接触位置にはコイル穴４３が設けられている。コイル穴４３は、ボビン４１とボビン４１の接触位置かつ、ボビン４１と固定子６との接触位置に設けられている。上記構成により、回転子５に設けられたレーム穴５１から流入した空気が回転子５と固定子６との間の隙間５２から流出するまでに、永久磁石回転電機１内部、特に電機子巻線４付近における空気の流れがよくなる。したがって、電機子巻線４に対する冷却効果は高まる。

図１４は、第４の実施形態に係る電機子巻線４の及びとシャフト７が設けられた固定子６の変形例を示す斜視図である。ボビン４１は、回転軸方向と直交する径方向を軸として巻線が巻かれたコイル４２で覆われている。ボビン４１には、略円筒状となるように、中央の軸方向にボビン穴４４が設けられている。上記構成により、ボビン４１の中央のスペースを空気の通り道として有効利用できる。また、ボビン４１に巻線が巻かれたコイル４２の中央部が温度分布で見ると一番高くなるため、ボビン４１の中央を空気が通ることで冷却効果は高まる。

上記第１の実施形態から第４の実施形態に係る構成をそれぞれ組み合わせてもよい、組み合わせることにより、電機子巻線４に対する冷却効果はさらに向上する。

１…永久磁石回転電機、２…永久磁石列（外側）、３…永久磁石列（内側）、４…電機子巻線、５…回転子、６…固定子、７…シャフト、１６…永久磁石、４１…ボビン、４２…コイル、４３…コイル穴、４４…ボビン穴、５１…フレーム穴、５２…隙間、５３…凹状部、６１…凹状部。

Claims (11)

1. 電機子巻線を有する固定子と、前記固定子に対し回転可能に支持され、ハルバッハ配列された永久磁石を有する回転子からなる回転電機において、
   前記回転子が回転軸の中心から周方向にハルバッハ配列された２列の永久磁石列を設け、前記永久磁石列の間に前記固定子の電機子巻線を設け、前記永久磁石列は、永久磁石列の外側永久磁石の磁極の向きと永久磁石列の内側永久磁石の磁極の向きとが、径方向の磁極の向きについては同一方向で、周方向の磁極向きについては逆方向を向き、
   前記回転子において、前記２列の永久磁石列の間に位置する前記電機子巻線に対応する位置にフレーム穴を設けていることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 前記フレーム穴は、円周方向に略円弧に設けられた長穴であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
3. 前記長穴において、前記永久磁石回転電機の前記回転軸方向に沿って傾斜面を有することを特徴とする請求項２記載の永久磁石回転電機。
4. 前記フレーム穴の数は、前記電機子巻線を構成する集中巻きコイルのボビンの数Ｎに対して、Ｎ／３の整数倍の数を設けたことを特徴とする請求項３記載の永久磁石回転電機。
5. 前記フレーム穴において、前記電機子巻線の幅ｔに対して前記長穴の幅ｔ‘とすると、（ｔ‘＞ｔ）かつ（ｔ‘×１．３＜ｔ）とすることを特徴とする請求項４記載の永久磁石回転電機。
6. 前記固定子において、前記電機子巻線を挟み込むように凹状部を設けていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
7. 前記固定子と前記凹状部との角部をＲの丸みをもたせることを特徴とする請求項６記載の永久磁石回転電機。
8. 前記回転子において、前記内側永久磁石または前記外側永久磁石の少なくともいずれか１方を挟み込む凹状部に丸みを持たせることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
9. 前記固定子巻線において、ボビンに集中巻きされたコイルの前記ボビンと前記ボビン間にコイル穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
10. 前記コイル穴は、前記固定子側に設けたことを特徴とする請求項９記載の永久磁石回転電機。
11. 前記固定子巻線において、前記ボビンの中央にボビン穴を設けたことを特徴とする請求項９に記載の永久磁石回転電機。

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